陸 暢, 武振宇, 胡軍臺, 付 曉

(國網(wǎng)河南省電力公司 平頂山供電公司，河南 平頂山 467001)

基于定子電壓定向的自適應控制在電網(wǎng)故障下雙饋異步發(fā)電機的優(yōu)化運行策略*

陸 暢, 武振宇, 胡軍臺, 付 曉

(國網(wǎng)河南省電力公司 平頂山供電公司，河南 平頂山 467001)

提出了一種基于定子電壓定向(SVO)的定子磁鏈動態(tài)過程改進控制方案，引入積分環(huán)節(jié)到轉(zhuǎn)子電流控制器，消除電壓故障狀態(tài)產(chǎn)生的靜差，通過自適應調(diào)節(jié)補償定子電阻，聯(lián)合優(yōu)化的最大功率跟蹤器，增強風電機組供電質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。基于PLECS算例分析驗證，在出現(xiàn)電網(wǎng)電壓瞬態(tài)跌落故障和電網(wǎng)諧波下，即使風機運行在次同步或超同步狀況，提出的控制策略都可以實現(xiàn)諧波抑制，減小定、轉(zhuǎn)子功率振蕩、電磁轉(zhuǎn)矩脈動、傳動系統(tǒng)機械損耗，為進一步高滲透率風電場研究提供依據(jù)和參考。

定子電壓定向；電能質(zhì)量；最大功率跟蹤；雙饋異步發(fā)電機；瞬態(tài)跌落；諧波

0 引 言

隨著化石能源的緊缺，傳統(tǒng)發(fā)電帶來的環(huán)境污染，以及氣候治理等問題，發(fā)展可再生能源，特別是風電、太陽能已成為國內(nèi)主要經(jīng)濟體能源轉(zhuǎn)型的主要方向。但風電場接入地區(qū)網(wǎng)架比較薄弱,以及風電的間歇性、隨機性、波動性和不可控性，大型集群風電接入必然會給電力系統(tǒng)注入更多的不確定性[1]。目前對風電并網(wǎng)控制的研究，大多建立在理想電網(wǎng)情況，因此，有必要對非理想電網(wǎng)電壓，特別是電壓瞬態(tài)跌落及電壓諧波問題進行討論。

風電場的大規(guī)模建設，給電網(wǎng)規(guī)劃和運行都帶來了挑戰(zhàn)，加之我國的電網(wǎng)結構相對薄弱，使得風電并網(wǎng)研究及風電并網(wǎng)后的運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2-3]。研究大規(guī)模風電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)運行與穩(wěn)定的問題，并提出相關的技術解決措施是風電發(fā)展的關鍵。文獻[4]提出了基于滑?？刂评碚摰囊环N降低風電機組載荷的多目標變槳距控制策略，但由于控制目標的增多導致槳距角調(diào)節(jié)更加頻繁，且所設計方法復雜，難以實際投入運行。文獻[5-7]在含風電場的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型中考慮價格、型號需求響應，以提高系統(tǒng)的風電消納能力。文獻[8]為緩解大規(guī)模風電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)頻率帶來的不利影響， 設計了基于分段控制思想的雙饋風電機組頻率控制策略，但其控制所基于的風力發(fā)電經(jīng)濟函數(shù)與實際有差，其方法需進一步驗證。文獻[9]針對電網(wǎng)電壓驟變、電壓不平衡、諧波畸變等，將諧振控制器引入鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)中，增強了雙饋異步發(fā)機(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)適應電網(wǎng)的能量，但未分析如何控制風機運行在最大功率情況，故該控制策略還需進一步完善。上述研究主要從目前風電運行特性分析，通過加入額外的控制環(huán)增強系統(tǒng)的供電質(zhì)量，但方法并未充分考慮電網(wǎng)特性給風電帶來的擾動并同時保證最大功率實現(xiàn)。

本文從風力機的運行特性、發(fā)電機輸出功率控制與風電機組最大風能追蹤運行的實現(xiàn)分析，建立了PWM變流器數(shù)學模型。通過分析傳統(tǒng)控制方法的不足，提出了基于定子電壓定向(Stator Voltage Oriented，SVO)改進定子磁鏈動態(tài)矢量控制方案，實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓瞬態(tài)跌落故障時，大幅度減小電流電壓畸變程度，減小定轉(zhuǎn)子功率振蕩和傳動系統(tǒng)的機械損耗，以及電網(wǎng)帶來的諧波影響等，并增強系統(tǒng)的可靠性與魯棒性。最后，在PLECS搭建的仿真模型中，考慮不同電網(wǎng)電壓故障程度及電網(wǎng)電壓含大量諧波工況時，通過傳統(tǒng)控制策略與提出的改進控制方法的對比分析，驗證提出的改進優(yōu)化控制方案的有效性。

1 雙饋機組數(shù)學模型

DFIG能與電網(wǎng)柔性連接，實現(xiàn)有功和無功功率的控制，還可跟隨風速變化捕獲最大風能，其模型由風力機模型、槳距角控制模型及雙饋機組動態(tài)模型等組成[10]。

1. 1 風力機模型

風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力機和發(fā)電機組成，風力機作為風力發(fā)電系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，用于截獲流動空氣所攜帶的動能，并將其中一部分轉(zhuǎn)換為機械能；因此。風力機決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。

根據(jù)空氣空力學知識，風力機輸入功率表示為

(1)

式中：ρ——空氣密度；Sw——風力機葉片迎風掃掠面積；v——進入風力機掃掠面之前的空氣流速(即未擾動風速)。

由于通過風力機葉片的風能并不能完全被風力機吸收，可定義風能利用系數(shù)Cp來表示風力機吸收風能的能力，且Cp=P0/Pv。其中P0為風力機輸出功率，Pv為輸入風輪面內(nèi)功率。因此，風力機的輸出功率可表示為

(2)

式中：Dw——風輪的直徑。

風能利用系數(shù)與風速、葉片轉(zhuǎn)速、風輪直徑、槳距角均有關。為分析Cp的特性，將葉尖速比λ定義為葉片尖端的線速度與風速之比，即：

(3)

式中：Rw——風輪半徑，Rw=0.5Dw；ωw——葉片旋轉(zhuǎn)角速度；nw——葉片的轉(zhuǎn)速。

采用變槳距的風力機特性曲線通常由一簇風能利用系數(shù)Cp的曲線來表示。風能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ、槳距角β的綜合函數(shù)，即Cp(λ，β)，如圖1所示。由圖1可知，當槳距角增大時，Cp(λ)曲線將顯著縮??；若保持β不變，Cp只與葉尖速比λ有關。

圖1 變槳距風力機性能曲線

1. 2 雙饋機組動態(tài)模型

1. 2. 1 電壓方程

定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組電壓方程分別為

(4)

式中：usd、usq,urd、urq——定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；

ψsd、ψsq,ψrd、ψrq——定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；

isd、isq,ird、irq——定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；

Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；

ωr——轉(zhuǎn)差電角速度。

1. 2. 2 磁鏈方程

與dq坐標系下電壓方程的方法類似，可得磁鏈方程：

(5)

式中：Lm——dq坐標系中定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感，Lm=1.5Lms；

Ls——dq坐標系中定子等效兩相繞組自感，Ls=Lm+Lls；

Lr——dq坐標系中轉(zhuǎn)子等效兩相繞組自感，Lr=Lm+Llr。

采用兩相繞組等效代替三相繞組，定、轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感Lm是原三相繞組中任意兩相間最大互感(軸線重合時)的3/2倍。從式(5)可以看出，由于互相垂直兩軸之間沒有耦合，互感磁鏈只在同軸繞組間存在。

1. 2. 3 轉(zhuǎn)矩方程

根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩為

(6)

式中：Te——發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)距。

1. 2. 4 運動方程

(7)

式中：TL——風力機提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；J——風電機組的轉(zhuǎn)動慣量；D——與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼因數(shù)；K——扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩因數(shù)。

若D=0，K=0，則有:

(8)

式(8)表示為一個非線性、時變、強耦合的多變量系統(tǒng)，必須通過坐標變換來實現(xiàn)解耦?？捎萌我庑D(zhuǎn)dq坐標系來簡化坐標變換的運算。

2 基于SVO的改進定子磁鏈動態(tài)矢量控制方案

傳統(tǒng)的DFIG控制模型中，采用定子磁鏈定向(Stator Flux Linkage Orientation，SFO)的同步旋轉(zhuǎn)坐標系模型和SVO的同步旋轉(zhuǎn)坐標系模型，從而形成基于SVO的矢量控制策略。但傳統(tǒng)矢量控制策略都建立于電網(wǎng)電壓恒定、忽略定子勵磁電流動態(tài)過程的DFIG簡化模型。在電網(wǎng)電壓故障情況下，基于傳統(tǒng)的矢量控制方案動態(tài)穩(wěn)定性和魯棒性較差，嚴重時還會發(fā)生輸出功率大幅振蕩的現(xiàn)象。

通過引入積分環(huán)節(jié)，消除電壓故障狀態(tài)產(chǎn)生的靜差，以式(9)為設計依據(jù)。

(9)

進一步，可得到改進的DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出電壓參考值為

(11)

其中：ωslip=ω1-ωr。

根據(jù)式(9)～式(11)可得定子勵磁電流動態(tài)過程的SVO改進矢量控制框圖，如圖2所示。與傳統(tǒng)SVO矢量控制相比，改進控制方案引入了定子勵磁電流的微分項作為補償項，在傳統(tǒng)控制中，則被認為是零而忽略，即urd1=urq1=0。

與傳統(tǒng)控制方案相比，改進的SVO定子磁鏈動態(tài)控制方案在原來控制器基礎上加入了計及定子勵磁電流變化的補償量Lm/Ls(Us-RsIs-jω1Ψr)，以此對解耦電路作出修正。由于引入電流交叉耦合項、轉(zhuǎn)子電壓降及定子磁鏈前饋補償?shù)?，從而實現(xiàn)了d、q軸電流的解耦控制，有效提高了系統(tǒng)的動態(tài)控制性能，提高了網(wǎng)側(cè)變流器的抗負載擾動性能。此外，Lm/Ls=Lm/(Ls+Lσs)≈1，則補償量中與模型參數(shù)有關的量僅為定子電阻Rs，通過自適應調(diào)節(jié)可測量Rs，可實現(xiàn)電網(wǎng)電壓故障補償，增強系統(tǒng)可靠性與魯棒性。

圖2 改進SVO矢量控制框圖

3 改進DFIG最大風能追蹤的實現(xiàn)

根據(jù)最大風能追蹤運行機理，有功功率參考值為DFIG風電機組實現(xiàn)最大風能追蹤關鍵。不計機械損耗的條件下，DFIG輸出總電磁功率參考值為

(12)

其中：

式中：ωm——發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械角速度；ωr——發(fā)電機轉(zhuǎn)子電角速度；N——DFIG齒輪箱變比；p——DFIG極對數(shù)。

采用優(yōu)化策略的電磁功率參考值為

(13)

4 仿真試驗

為驗證提出的改進SVO的定子磁鏈動態(tài)矢量與最大風能追蹤實現(xiàn)策略的有效性，在PLECS平臺上采用2 MW雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)進行仿真分析，并將電網(wǎng)電壓故障分為瞬態(tài)跌落80%，以及穩(wěn)態(tài)2%的不平衡度和電網(wǎng)電壓諧波。詳細的控制參數(shù)如表1所示，仿真通過次同步運行狀態(tài)、超同步運行狀態(tài)以及次同步到超同步的過渡過程三個方面來驗證提出的DFIG控制策略的有效性。

表1 雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真試驗參數(shù)

圖3 DFIG運行在傳統(tǒng)控制的次同步狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓2%穩(wěn)態(tài)不平衡度仿真結果

4. 1 電網(wǎng)電壓瞬態(tài)跌落故障情況驗證

圖3和圖4所示為在次同步運行時，采用傳統(tǒng)和改進矢量控制方案條件下，發(fā)電機運行在轉(zhuǎn)速為1 350 r/min的次同步狀態(tài)，A相電壓跌落6%(2%不平衡度)，并一直持續(xù)的仿真結果。

從圖3可知，由于不平衡電壓所產(chǎn)生的負序分量，轉(zhuǎn)子電壓與電流都出現(xiàn)了明顯的畸變，定子電壓與電流畸變率均接近于零，但是定子電流各相存在不同的直流偏置。轉(zhuǎn)子角速度出現(xiàn)了0.029 rad/s(0.277 r/min)的穩(wěn)態(tài)波動。定子有功功率振蕩誤差幅值達到0.145×106W，轉(zhuǎn)子有功功率振蕩幅值達到9×103W，定子無功功率振蕩誤差幅值達到2×105W，轉(zhuǎn)子無功功率振蕩很小。電磁轉(zhuǎn)矩脈動幅值達到了0.12×104N·m。因此，在電網(wǎng)電壓2%穩(wěn)態(tài)不平衡度時，轉(zhuǎn)子電流和電壓畸變嚴重，定、轉(zhuǎn)子功率振蕩較大，電磁轉(zhuǎn)矩脈動大，增加了傳動系統(tǒng)的機械損耗。

圖4所示為在采用改進矢量控制方案條件下，次同步運行時，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)2%穩(wěn)態(tài)不平度的仿真波形。轉(zhuǎn)子電壓與電流畸變明顯減小，轉(zhuǎn)子角速度在0.01 rad/s僅有少量波動。定子有功功率振蕩誤差降低0.08×106W，占穩(wěn)態(tài)值的0.2%，轉(zhuǎn)子有功功率振蕩幅值降低0.4×103W，占穩(wěn)態(tài)值的0.118%，定子無功功率振蕩誤差幅值僅為0.5×103W，轉(zhuǎn)子無功功率振蕩很小。電磁轉(zhuǎn)矩脈動幅值降低到0.75×102N·m，占穩(wěn)態(tài)值的0.54%。

圖4 DFIG運行在改進SVO控制的次同步狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓2%穩(wěn)態(tài)不平衡度仿真結果

4. 2 電網(wǎng)電壓諧波下DFIG運行情況驗證

圖5和6為在轉(zhuǎn)速1 650 r/min的超同步狀態(tài)，采用傳統(tǒng)和改進矢量控制方案條件下，電網(wǎng)電壓中出現(xiàn)3%的5次諧波和2%的7次諧波的仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5中轉(zhuǎn)子和定子電壓、電流都出現(xiàn)畸變，定子電流總諧波畸變率THDi=4.07%，定子電壓總諧波畸變率THDv=3.06%。轉(zhuǎn)子角速度出現(xiàn)了0.020 rad/s(0.191 r/min)的穩(wěn)態(tài)波動，定子有功功率振蕩誤差達到0.11×106W，轉(zhuǎn)子有功功率振蕩達到8×103W，定子無功功率振蕩誤差幅值達到1.2×105var。電磁轉(zhuǎn)矩脈動幅值達到了0.063×104N·m。圖5表明超同步運行時的定子電流畸變率較大，導致輸出電能質(zhì)量較差，加大了傳動系統(tǒng)的機械損耗。

從圖6可看出，電網(wǎng)電壓包含諧波時，轉(zhuǎn)子、定子電壓與電流畸變也明顯減少，定子電流總諧波畸變率THDi=1.91%，定子電壓總諧波畸變率THDv=1.21%。轉(zhuǎn)子角速度在0.015 rad/s(0.143 r/min)僅有微量波動，定子有功功率振蕩誤差幅值降低到0.08×104W，占穩(wěn)態(tài)值的0.26%，轉(zhuǎn)子有功功率振蕩幅值最高為0.7×103W，占穩(wěn)態(tài)值的0.295%，定子無功功率振蕩誤差幅值降低到0.11×104var，轉(zhuǎn)子無功功率振蕩小。電磁轉(zhuǎn)矩脈動幅值僅為0.05×103N·m，占穩(wěn)態(tài)值的0.48%。

通過圖5與圖6對比可知，提出的控制策略對于諧波的抑制效果明顯，輸出定子電壓與電流的總諧波畸變率均較傳統(tǒng)控制方法低，且功率與電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩也能得到有效抑制。

圖5 DFIG運行在傳統(tǒng)控制的超同步狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓含大量諧波時的仿真結果

圖6 DFIG運行在改進SVO控制的次超同步狀態(tài)下，電網(wǎng)電壓含大量諧波時的仿真結果

5 結 語

本文首先通過分析雙饋機組數(shù)學模型結構，并且根據(jù)風電與電網(wǎng)功率交換形式，提出了一種基于SVO的定子磁鏈動態(tài)過程改進控制方案以及優(yōu)化的最大功率跟蹤策略，通過引入積分環(huán)節(jié)，消除電壓故障狀態(tài)產(chǎn)生的靜差，再通過自適應調(diào)節(jié)補償定子電阻，聯(lián)合優(yōu)化的最大功率跟蹤器，增強風電機組供電質(zhì)量，提高系統(tǒng)的魯棒性。

最后在PLECS環(huán)境下搭建了風電交流微電網(wǎng)仿真模型，在電網(wǎng)電壓瞬態(tài)跌落故障，以及含有大量電網(wǎng)諧波工況下分析，通過次同步和超同步下對傳統(tǒng)控制策略及改進自適應控制方法對比分析，證明了提出的基于SVO的定子磁鏈動態(tài)過程改進控制方案可有效實現(xiàn)諧波抑制，減小定、轉(zhuǎn)子功率振蕩，電磁轉(zhuǎn)矩脈動及傳動系統(tǒng)的機械損耗，并為接下來在高滲透率風電場下的研究提供技術支撐。

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Optimal Operation Strategy of Doubly Fed Induction Generator Based on Stator Voltage-Oriented Adaptive Controller Under Grid Fault*

LUChang,WUZhenyu,HUJuntai,FUXiao

(Pingdingshan Power Supply Company, State Grid Henan Power Company, Pingdingshan 467001, China)

An improved stator voltage oriented (SVO) control strategy of wind turbine control based on doubly fed induction generator (DFIG) was presented. An extra integral controller was utilized into the SVO to clean the static deviation under disturbance of grid voltage. Combining with the controller of maximum power tracking, the quality of power supply of wind turbines was enhanced, and the stability and robustness of the system were improved. The PLECS-based simulation results had showed that the suppression of harmonic voltage was realized and power oscillation was largely reduced by the improved control method. Furthermore, the proposed control strategy could be utilized to further provide the basis for the research on wind farm with high permeability.

stator voltage oriented (SVO); power quality; maximum power point tracking (MPPT); doubly fed induction generator (DFIG); transient drop; harmonic voltage

國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司科技項目資助(SGHAPD00JYJS1500490)

陸 暢(1980—)，男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)04- 0093- 08

2016 -10 -21